反应釜温度过程控制课程设计报告

1、- -过程掌握系统课程设计课题：反响釜温度掌握系统系别：电气与掌握工程学院专业：自动化XX ：俊峰学号：092413238 指导老师：晓辉城建学院2022年 6 月 15 日- - word.zl- -目录引言 1 1 系统工艺过程及被控对象特性选取 3 1.1 被控对象的工艺过程 3 1.2 被控对象特性描述 5 2 外表的选取 7 2.1过程检测与变送器的选取 7 2.2执行器的选取 9 2.2.1执行器的选型 10 2.2.2调剂阀尺寸的选取 11 2.2.3调剂阀流量特性选取 11 2.3掌握器外表的挑选 12 3.掌握方案的整体设定 14 3.1掌握方式的挑选 14 3.2阀门特性及

2、掌握器挑选 15 3.3 掌握系统仿真 17 3.4 掌握参数整定 18 4 报警和紧急停车设计 19 5 结论 20 6 体会 21 参考文献 22 - - word.zl- -引言反响器是任何化学品生产过程中的关键设备,打算了化工产品的品质、品种和生产才能； 釜式反响器是一种最为常见的反响器,广泛的应用于化工生产的各个领域；釜式反响器有一些特别重要的过程参数,如：进料流量进料流量比、液体反响物液位、反响压力、反响温度等等；对于这些参数的掌握至关重要,其 不但打算着产品的质量和生产的效率,也很大程度上打算了生产过程的平安性；由于非线性和温度滞后因素许多, 使得常规方法对釜式反响器的掌握成效不

3、 是很抱负；本文以带搅拌釜式反响器的温度作为工业生产被控对象,结合 PID 控 制方式,选用 FX2N-PLC 温度调剂模块, 同时为了提高系统平安性, 设计了报警 和紧急停车系统,最终设计了一套反响釜氏的温度过程掌握系统；- - word.zl- - - word.zl- -1 系统工艺过程及被控对象特性选取1.1 被控对象的工艺过程 本设计以工业常见的带搅拌釜式反响器CSTR为过程系统被控对象；反响器为标准 3 盆头釜,反响釜直径 1000mm,釜底到上端盖法兰高度 1376mm,反响器总容积 0.903m,耐压 2.5MPa；为平安起见,要求反响器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5M

4、Pa；反响器压力报警上限组态值为 1.2MPa；反响器的工艺流程如图 1-1 所示；图 1-1 釜式反响器工艺流程图该装置主要参数如表1-1 所示；各个阀门的设备参数如表1-2 所示,其中, Dg为阀门公称直径、 Kv 为国际标准流通才能；- - word.zl- -表 1-1 主要测控参数表F4 反响物 A 进料流量729 kg/h F5 反响物 B 进料流量1540 kg/h F6 催化剂 C 进料流量88 kg/h F7 冷却水流量蛇管冷却最大 25 t/h F8 冷却水流量夹套冷却最大 42 t/h F9 反响物料混合液出口流量kg/h T1 反响温度P7 反响压力MPa 绝压L4 反

5、响器料位% 0-1.3m,0-100% 表 1-2 设备参数表V4 反响物 A 进料阀Dg25 Kv=3.42 Cv=4 V5 反响物 B 进料阀Dg25 Kv=5.38 Cv=6.3 V6 催化剂 C 进料阀Dg20 Kv=0.214 Cv=0.25 V7 冷却水阀蛇管Dg40 Kv=25.64 Cv=30 V8 冷却水阀夹套Dg50 Kv=42.73 Cv=50 V9 反响器出口阀Dg25 Kv=8.54 Cv=10 S6 热水阀开、关两种状态S8 反响器搅拌电机开关开、关两种状态由图 1-1 可以看出,该被控对象的反响过程为反响物A 与反响物 B 在催化剂C 的作用下,在反响温度70 1

6、.0发生反响,生成产物D；反响初期用热水诱发,当反响开场后由冷却水通过蛇管与夹套进展冷却；图 1 中,各参数含意如下：- - word.zl- -F4、F5 和 F6 分别反响物 A、B 和催化剂C 的进料流量, V4、V5 和 V6 分别是 A、B 和 C 的进料阀； A 为反响器主产物 D 重量百分比浓度,反响温度为 T1,液位为 L4；反响器出口浆液流量为F9,由出口阀 V9 掌握其流量；出口泵及出口泵开关为 S5；反响器出口为混合液,由产物D 与未反响的A、B 以及催化剂 C组成； F7 为夹套冷却水入口流量,由阀V7 进展掌握； F8 为蛇管冷却水入口流量,由阀 V8 进展掌握；此外

7、,在反响初期,需要由反响器夹套加热热水来触发反响；该热水由开关阀S6引入；反响器搅拌电机开关为S8；1.2 被控对象特性描述本设计中的被控对象主要是反响釜的温度局部；由于被控对象有其特别特性, 直接影响着操纵变量和掌握方案的选取,因此对于被控变量的特性分析显得尤为重要；下面就针对反响釜反响温度分析和描述；该反响属于放热反响, 放热反响属于非自衡的危急过程,反响温度高将导致反响速度加快, 释放出热量导致反响温度进一步上升,温度快速上升的同时, 反响压力也会快速加大, 从而有可能导致火灾或者爆炸事故；以掌握,其主要手段是掌握夹套以及蛇管冷却水的流量；因此有必要对反响温度加 冷却水流量的变化随阀门的

8、开关变化较快、 时间常数较小； 当冷却水压力下降时 这种干扰在现场时有 发生,即使阀位不变,冷却水流量也会下降,冷却水带走的热量削减,反响器 中物料温度会上升；反响温度和反响转化率的变化属于时间常数较大的高阶特 性；由于温度变化的滞后,用常规掌握器进展调剂成效不佳；- - word.zl- - - word.zl- -2 外表的选取温度掌握系统主要由温度传感器、温度调剂仪、 执行装置、 被控对象四个局部组成,其系统构造图如图 2.1所示；图 2-1 温度掌握系统构造图2.1 过程检测与变送器的选取过程检测是生产过程自动掌握系统的重要组成局部；过程检测装置准时而准确的把被控参数检测出来, 并变成

9、调剂、 掌握装置可识别的方式, 作为过程掌握 装置判定生产过程的依据； 依据工业的要求, 为了具有较高的精度, 采纳热电阻温度计；热电阻温度计广泛应用于-200600围的温度测量；用于制造热电阻的材料, 要求电阻率、 电阻温度系数要大, 热容量、热惯性要小,电阻与温度的关系最好近于线性, 另外,材料的物理化学性质要稳固, 复现性好,易提纯,同时价格廉价；热电阻的选取可以依据表2-1 确定：- word.zl- - -表 2-1 工业常用热电阻热电阻名称分度号0 度时阻值度测温围度特点铜电阻Cu50 500. 05-50150 线性好,价格低,适Cu50 1000 .1用于无腐蚀性介质铂电阻Pt

10、50 500 .003-200500 精度高,价格贵,适Pt100 用于中性和氧化性介500 .006质,但线性度差由表 2-1,依据釜温度的一般变化围选用铂电阻,为提高检测精度采纳三线制的接法,如图 2-2 所示；采纳三线制是为了排除连接导线电阻引起的测量误差；这是由于测量热电阻的电路一般是不平稳电桥； 热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线 从热电阻到中控室 也成为桥臂电阻的一局部, 这一局部电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差；采纳三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样排除了导线线路电阻带来的测量误差；所以工业上一般都采纳三线

11、制接法；温度变送器我们挑选 DDZ- 型- - word.zl- -温度变送器如图 2-3 所示；图 2-2 热电阻三线直接法图 2-3 变送器的测量接线示意图 其特点：1采纳线性集成放大电路,使外表的精确性、牢靠性、稳固性以及其他指标 均符合国家规定的标准；2采纳了通用模块和专用模块相结合的设计方法,使用敏捷、便利；3在与热电阻的接入单元中,采纳了线性化电路,从而保证了变送器的输出 信号与被测温度呈线性关系,大大便利了变送与系统的配接；4采纳了统一的 24V DC 集中供电,变送器无电源,实现了“ 三线制的接 线方式；5实行了平安火花防爆措施,适用于具有爆炸危急场合中的温度或直流毫伏 信号的

12、检测；2.2 执行器的选取 执行器是过程掌握系统的重要组成局部,其特性好坏直接影响系统的掌握质量；它承担掌握器输出的掌握信号, 并将其转换为直线位移和角位移, 操纵掌握机构,- - word.zl- -自动转变操作变量,从而实现对过程变量的自动掌握；2.2.1执行器的选型 本设计采纳气动薄膜调剂阀,其工作原理：当气室输入了 0.020.10MPa 信号压力之后, 薄膜产生推力, 使推力盘向下移动, 压缩弹簧, 带动推杆、阀杆、阀芯向下移动, 阀芯离开了阀座, 从而使压缩空气流通； 当信号压力维护肯定时,阀门就维护在肯定的开度上；气动薄膜调剂阀的构造可以分为两局部,上面是执行机构, 下面是调剂机

13、构；它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成；当来自掌握器的信号压 力通入到薄膜气室时, 在膜片上产生一个推力, 并推动推杆部件向下移动, 使阀 芯和阀座之间的间隙减小,流体受到的阻力增大,流量减小；推杆下移的同时,弹簧受压产生反作用力, 直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相 平稳为止,此时,阀芯与阀座之间的流通面积不再转变,流体的流量稳固；出于平安的缘由, 在此次设计中使用VBD 气动端面密封蝶阀, VBD 气动端面密封蝶阀是一种重量轻, 构造简洁的后座式端面密封蝶阀；阀体、阀板均用钢板焊接或 铸造加工而成；适用于低压状态的空气或其他气体的流量、压力掌握；气动执行器分气开

14、和气关两种形式,有压力信号时阀关,无压力信号时阀开 为气关式执行器； 反之,那么为气开式； 它的挑选第一应依据调剂器输出信号为零时使生产处于平安状态的原那么确定；其次,仍应考虑是否有利于节能、 是否有利于开车、停车等进展挑选；最终,气开、气关的挑选主要是考虑在不同生产 工艺条件下平安生产的要求； 考虑的原那么是： 信号压力中断时, 应保证设备和 工作人员的平安；依据工业的要求,本设计挑选了气关方式；- - word.zl- -2.2.2调剂阀尺寸的选取调剂阀的尺寸主要是指调剂阀的开度和口径,他们的挑选对系统的正常运行影响很大；假设调剂阀口径挑选过小, 当系统受到较大扰动时, 调剂阀既是运行在全

15、开状态,也会使系统显现临时失控现象；假设口径挑选过大, 那么在运行中阀门会常常处于小开度状态, 简洁造成流体对阀芯和阀座的频繁冲蚀,甚至使调剂阀失灵；因此,结合本设计的工业要求,调剂阀开度应处于2.2.3调剂阀流量特性选取1585之间；调剂阀是掌握系统特别重要的一个环节,它承担掌握器的输出信号,转变操纵变量, 执行最终掌握任务； 掌握阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与相对开度之间的函数关系,如下式中所示；Q Q max f l L2-1其中 Q Q max相对流量；即掌握阀在某一开度下的流量与最大流量之比；l L相对开度；即掌握阀在某一开度下的行程与全行程之比；常用的抱负流量特性的掌握阀

16、有：线性型、对数等百分比型和快开型等；其抱负流量特性如图2-5 所示；掌握阀抱负流量特性图 -5 而在实际工作时, 阀两端的压降会随流量而变化, 这时的流量特性称为工作- - word.zl- -特性；设管路系统的总压差为PT,由液体提上升度引起的压差为Ph,阀两端的压降为 PV,管路其他局部的压降为Pl；工程常采纳经受法来挑选调剂阀的流量特性；表 2-1 给出了抱负流量特性的经受,本方案将依据这个表来选取抱负流量特性；然而当掌握系统中某一环节显现故障或意外时,平安；考虑介质性质；仍要考虑削减经济缺失等；应考虑人身、 设备装置的表 2-1 掌握阀抱负流量特性经受挑选表被控变量有关状况选用抱负流

17、量特性流量设定值变化直线型温度负荷变化对数型对数型压力快过程对数型液位慢过程, PV 恒定直线型慢过程, PV Qmax 0.2 PV Qmin对数型PV 恒定直线型 PV Qmax 2 PV Q min快开型2.3 掌握器外表的挑选 采纳模拟掌握器 :DDZ III 型调剂器,DDZ 基型掌握器框图如图 4.3 ；掌握器的输入信号为 15V 的测量信号；设定信号有设定和外设定两种；设定 信号为 15V,外设定信号为 420mA；测量信号和设定信号通过输入电路进展 减法运算, 输出偏差到比例积分微分电路进展比例积分微分运算后,由输出电路 转换为 420mA 信号输出；手动电路和保持电路附于比例

18、积分微分电路之中,- - word.zl- -手动电路可实现软手动和硬手动两种操作,当处于手动状态时, 用手指按下软手动操作键, 使掌握器输出积分式上升或下降,当手指离开操作键时, 掌握器的输出值保持在手指离开前瞬时的数值上,当掌握器处于硬手动状态时, 移动硬手动操作杆,能使掌握器的输出快速转变到需要的数值,只要操作杆不动, 就保持这 一数值不变； 由于有保持电路, 使自动与软手动相互切换, 硬手动只能切换到软 手动,都是无平稳无扰动切换, 只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平稳才 能实现无扰动切换；- - word.zl- -3.掌握方案的整体设定3.1 掌握方式的挑选采纳单回路掌握方式,

19、将反响温度T1 取一阶微分,得到温度变化率,再与升温速率设定值 0.1/s 作比拟,将偏差作为掌握器的输入；掌握系统框图如图 3-1 所示：图 3-1 掌握系统框图传递函数框图如图3-2 所示：图 3-2 传递函数框图系统的开环传递函数为：- GsG CS GOSG VSGms 3-1- word.zl- -闭环传递函数为：Ws 1G CS G OS G VS s 3-2G CS G OS G VS G m3.2 阀门特性及掌握器挑选阀门 V8 选线性阀；对于釜式反响器,在升温阶段65以下由夹套冷却水阀掌握冷却水流量来实现对反响温度的掌握；依据反响掌握的根本原理, 要使系统能够正常工作,构成系

20、统开环传递函数静态增益的乘积必需为正；由图 3-2 可知,由于阀门 V8 挑选的是气关的形式,被控对象釜式反响器是正作用,温度变送器选择正值,所以掌握器应挑选正作用方式；对于釜式反响器这类掌握对象,是一个时滞过程,而且掌握对象特性复杂,故采纳数字PID 掌握器可以得到中意的控制成效；数字调剂中的PID 掌握算式是将PID 的模拟表达式进展离散化而得到的； PID 的模拟表达式为：pKpe1edtT dde3-3T idt式中 p 调剂器的输出信号；e调剂器的偏差输入信号,是测量值 m与 r 之差,e r m；K p、T i、T d调剂器的比例增益、积分时间常数、微分时间常熟；由于采样周期 T

21、相对于信号变化周期是很小的, 这样可用矩形法运算积分, 用后相差分代替微分,那么上式可变成离散 PID 算式T s n T dp n K p e n e i e n e n 1 3-4T i i 0 T s式中 p 第 n 次采样时调剂器的输出；e 第 n 次采样的偏差值；- - word.zl- -n 采样序号；采纳增量式的算法,上式可变换为pnpKpEn1e n12Tse nTde n2 en1e n23-5T iTsKe n2ene n利用增量式方法的优点是：1运算机只输出掌握增量,即执行机构位置的变化局部,误动作时影响小 必要时通过规律判定进展爱护,不会严峻影响系统状态；2易于实现手动

22、和自动的无忧切换；为了改善掌握质量和掌握的要求,选用了微分先行 如图 3-3 所示；PID 掌握模式,其构造这是一个 PD 与 PI 的串联构造,他只对测量值 M 进展微分,而不是对偏差进展微分,这样在给定值 值扰动；R 变化时,不产生输出的大幅度变化,即可防止给定K 1p1 1 TT 1 sd T K d s图 3-3 微分先行 PID 构造图PID 掌握器是依据输出量对于输入量偏差的变化情形,依据肯定的规那么进展运算,实时的整定PID 掌握器的参数；此次设计选用FX2N-2LC 温度调剂模块；该模块配有 2 通道的温度输入和2 通道晶体管输出, 即一块能组成两个温度调剂系统；模块供应了自调

23、剂的PID 掌握和 PI 掌握,掌握的运行周期为500ms,占用 8 个 I/O 点数；- - word.zl- -3.3 掌握系统仿真对于本设计,为了检验PID 的掌握成效,针对此反响器的温度掌握,在MATLAB 中进展了仿真；掌握器的仿真构造如图 3-4 所示,掌握器跟踪升温曲线的仿真结果如图 3-5 所示；图 3-4 掌握器仿真- - word.zl- -图 3-5 掌握器跟踪升温曲线仿真3.4 掌握参数整定掌握器参数整定：需要对PID 掌握器进展初始化的参数整定,这里准备采纳临界比例度法对掌握器进展参数整定；大致步骤为：第一设定比例增益 K C =1.0,置积分时间最大 Ti=9999

24、9,微分时间为 Td=0；将增益 K C 从 1.0 开场以 1.0 为增量逐步增大,每变化一次增益K C,观看一次阶跃响应曲线,直到显现等幅振荡曲线为止；测量并记录此时的临界增益 K cmax 和等幅振荡周期 Tmax,依据运算公式运算可得到 K C,T i 和 T d；将运算得到的数据设置为温度掌握器的 PID 参数,即完成了掌握器的 PID 参数整定；- - word.zl- -4 报警和紧急停车设计该工艺过程中,假如反响釜中的温度过高而导致压力增大,就有发生爆炸的危急,因此有必要当反响釜压力过大时发出报警并紧急停车,以免发生事故； 为此有必要设计报警系统和紧急停车系统,为了提高其平安性

25、, 可同时采纳自动手动两种方 式；其 框 图 如 图 3-6 所 示；图 3-6 报警系统和紧急停车系统其工作过程为： 通过温度的上升, 压力变送器检测反响釜气体压力 P7,在报警给定器设置压力上限 1.2MPa,一旦发觉压力越界,报警给定器发出警报,并转变其输出开关量的值, 以示显现危急； 经规律运算的判定, 假如的确存在危急,转变其输出开关量的值以开场停车过程；停车包含以下几个措施：关闭进料阀- - word.zl- -V4、V5、V6,以切断进料；将蛇管冷却阀V7 和夹套冷却阀 V8 开到最大,加大冷却水流量,以便快速降温；将出料阀 V9 开到最大,清空釜的物料；关闭搅拌器开关；该系统与